Como foi discutida anteriormente, a TELP depende da fotocorrente induzida, sendo esta sensível à largura da camada de depleção na região do Si. Isto implica que a sensibilidade de resposta do dispositivo depende da modulação da camada de depleção através de uma polarização externa. Neste sentido, com a finalidade de identificar a região de maior sensibilidade da fotocorrente, foram realizados ensaios de medição da fotocorrente induzida para diferentes tensões de polarização do dispositivo e em diferentes atmosferas de gás.
Da Figura 42 a Figura 47, mostram-se as curvas características u x Vp, onde os valores da magnitude “u” definida na secção 2.5 pela eq.(23) foram obtidos pela integração do sinal do pulso de fotocorrente. O pulso de fotocorrente foi obtido após o dispositivo ser excitado com o feixe do laser modulado com o chopper a uma freqüência de 250 Hz. As respostas dos sensores foram obtidas em três diferentes regiões sobre a superfície dos sensores, isto é, o feixe de laser foi incidido sobre a porta de ouro, sobre a porta de paládio e sobre a região de SiO2, exposto entre elas. A magnitude “u” representa a energia dos portadores gerados na região da camada de depleção e confinados na interface SiO2/Si dos dispositivos MOS. Na prática, “u” é expressa simplesmente em unidades arbitrárias (unid. arbitr.), já que especialmente para aplicações em sensores, o mais importante são as mudanças em relação à resposta de uma condição inicial de ambiente bem definida.
Da Figura 42 a Figura 47, observa-se que a magnitude “u” cresce monotonicamente à medida que a tensão de polarização passa da região de acumulação para a região de inversão. Este resultado é esperado já que, neste caso, a largura da camada de depleção cresce no mesmo sentido. Quando o feixe laser incide na região de ouro, as curvas u x Vp são iguais dentro do erro experimental, mostrando-se pouco sensível ao H2 e NH3. Já na região do óxido, o sensor mostrou-se levemente sensível aos gases utilizados no ensaio. Na região de paládio, a resposta do sensor mostrou-se mais sensível, como esperado.
Figura 42 - Curva u x Vp sob exposição na região de ouro, a 5000 ppm de H2 (linha vermelha), a
5000 ppm de NH3 (linha verde) e a N2 (linha preta) com o dispositivo aquecido a 90 ºC. O local
de incidência do laser é indicado na figura ao lado (ponto vermelho).
Figura 43 - Curva u x Vp sob exposição na região de óxido, a 5000 ppm de H2 (linha vermelha),
a 5000 ppm de NH3 (linha verde) e a N2 (linha preta) com o dispositivo aquecido a 90 ºC. O local
Figura 44 - Curva u x Vp sob exposição na região de paládio, a 5000 ppm de H2 (linha
vermelha), a 5000 ppm de NH3 (linha verde) e a N2 (linha preta) com o dispositivo aquecido a
90 ºC. O local de incidência do laser é indicado na representação ao lado (ponto vermelho).
Figura 45 - Curva u x Vp sob exposição na região de ouro, a 5000 ppm de H2 (linha vermelha), a
5000 ppm de NH3 (linha verde) e a N2 (linha preta) com o dispositivo aquecido a 90 ºC. O local
Figura 46 - Curva u x Vp sob exposição na região de ouro, a 5000 ppm de H2 (linha vermelha), a
5000 ppm de NH3 (linha verde) e a N2 (linha preta) com o dispositivo aquecido a 90 ºC. O local
de incidência do laser é indicado na representação ao lado (ponto vermelho).
Figura 47 - Curva u x Vp sob exposição na região de ouro, a 5000 ppm de H2 (linha vermelha), a
5000 ppm de NH3 (linha verde) e a N2 (linha preta) com o dispositivo aquecido a 90 ºC. O local
A sensibilidade da resposta dos sensores em relação ao potencial de polarização foi determinada através da derivada de “u” em relação ao potencial de polarização “Vp”. Os gráficos das curvas de du/dV em função de Vp são apresentadas na Figura 48 e na Figura 49 que correspondem aos sensores com geometria elíptica e de cunha respectivamente, para diferentes ambientes de gás (N2, NH3 e H2). A partir das curvas da Figura 48 e da Figura 49, foi identificada a região sensível que está entre 0,5 V e 1,0 V, incluindo neste intervalo a localização do ponto máximo de sensibilidade encontrado na curva que é dependente da região sobre a superfície do sensor e do ambiente de gás à qual foi submetido. Neste sentido, no presente trabalho foram utilizados potenciais de polarização correspondente à região entre 0,5 V e 1,0 V. A Figura 48 e a Figura 49 mostram que o máximo da função du/dV está situada em torno de 0,6 V para ambos os dispositivos em ambiente de N2 (inerte). Retornando aos resultados das curvas CxV (Figura 39 e Figura 41) observa- se que a região de inversão forte começa aproximadamente em torno de 0,6 V. Esta região caracteriza-se assim porque a camada de depleção atinge sua largura máxima (em média 5,6 10-5 cm), o que faz com que a capacitância de alta freqüência do dispositivo MOS permaneça constante e com seu valor mínimo. Como a fotocorrente induzida depende da largura da camada de depleção, o comportamento máximo de du/dV mostra que a mudança da largura da camada de depleção é muito sensível às mudanças de Vp quando esta se aproxima de seu valor máximo. Para evitar a saturação prematura da sensibilidade dos sensores, no presente trabalho, os dispositivos foram polarizados com potenciais menores que 0,6V (especificamente, foram polarizados com 0,5 V).
O máximo valor de du/dV, para sensores em ambientes de gás de H2 e NH3 (não inertes), mostrou um deslocamento no sentido de potenciais menores. Adicionalmente, neste caso, a sensibilidade apresentou menor valor se comparada com a obtida em ambiente de N2. Estes resultados sugerem que as moléculas de gás adsorvidas na interface SiO2/Si mudam o potencial de superfície ψS do Si na interface. Este efeito não compromete a aplicação do dispositivo MOS como sensor, desde que a mudança da sua resposta seja provocada pelas moléculas adsorvidas.
Figura 48 - Curva derivativa u x Vp sob exposição nas regiões de ouro, óxido e paládio (elipse), a 5000 ppm de H2 (linha vermelha), a 5000 ppm de NH3 (linha verde) e a N2 (linha preta) com o
dispositivo aquecido a 90 ºC. Os locais de incidência do laser são indicados na representação ao lado (pontos vermelhos).
Figura 49 - Curva derivativa u x Vp sob exposição nas regiões de ouro, óxido e paládio (cunha), a 5000 ppm de H2 (linha vermelha), a 5000 ppm de NH3 (linha verde) e a N2 (linha preta)
com o dispositivo aquecido a 90 ºC. Os locais de incidência do laser são indicados na representação ao lado (pontos vermelhos).
4.3 Estudo do tempo de adsorção e dessorção aos gases de hidrogênio